Kertas kerja ini, "Bukti Kerja Selari dengan Batasan Konkrit," menangani satu batasan asas dalam konsensus rantaian blok: sifat kebarangkalian dan asimptotik keselamatan dalam sistem Bukti Kerja (PoW) tradisional seperti Bitcoin. Walaupun konsensus Nakamoto merevolusikan kepercayaan terpencar, hujah keselamatannya sebahagian besarnya bersifat heuristik atau asimptotik, menyebabkan pengguna tidak pasti tentang masa tunggu tepat yang diperlukan untuk kepastian akhir transaksi. Ketidakpastian ini dieksploitasi oleh ancaman seperti perbelanjaan berganda dan perlombongan mementingkan diri sendiri.
Penulis, Patrik Keller dan Rainer Böhme, mencadangkan anjakan paradigma daripada PoW berurutan (di mana setiap blok merujuk kepada satu teka-teki sebelumnya) kepada PoW selari. Keluarga protokol mereka menggunakan $k$ teka-teki bebas setiap blok, membolehkan reka bentuk dari bawah ke atas berdasarkan sub-protokol perjanjian yang teguh. Sumbangan utama ialah terbitan batasan konkrit, bukan asimptotik untuk kebarangkalian kegagalan dalam rangkaian segerak yang bermusuhan. Satu contoh yang ditunjukkan dengan $k=51$ teka-teki mencapai kebarangkalian kegagalan $2.2 \cdot 10^{-4}$ untuk konsistensi selepas satu blok, satu peningkatan dramatik berbanding PoW berurutan yang dioptimumkan.
Protokol ini dibina daripada prinsip pertama, berdasarkan model yang mantap daripada literatur PoW berurutan tetapi berbeza dalam mekanik terasnya.
Perbezaan seni bina utama divisualisasikan dalam Rajah 1 kertas kerja. PoW Berurutan (Bitcoin) mencipta rantaian linear di mana hash setiap blok adalah penyelesaian kepada satu teka-teki yang merujuk blok sebelumnya. PoW Selari (Dicadangkan) mencipta blok yang mengandungi $k$ penyelesaian teka-teki bebas. Struktur ini memisahkan kadar peluang perjanjian daripada kadar penciptaan blok.
Asasnya ialah protokol perjanjian $A_k$ untuk keadaan terkini. Nod jujur cuba menyelesaikan $k$ teka-teki bebas secara selari. Perjanjian mengenai keadaan baharu dicapai berdasarkan ambang teka-teki yang diselesaikan dalam rangkaian. Sub-protokol ini kemudiannya diulang untuk membentuk protokol replikasi keadaan penuh, mewarisi batasan ralat konkrit langkah perjanjian.
Analisis mengandaikan rangkaian segerak dengan kelewatan penyebaran mesej terburuk yang diketahui $\Delta$. Penyerang mengawal pecahan $\beta$ daripada jumlah kuasa pengiraan. Model ini mempertimbangkan penyerang yang boleh menyimpang secara sewenang-wenangnya daripada protokol tetapi dihadkan oleh bahagian pengiraan dan kesegerakan rangkaiannya.
Sumbangan utama kertas kerja ini terletak pada peralihan daripada jaminan keselamatan asimptotik kepada konkrit.
Penulis menyediakan batasan atas untuk kebarangkalian kegagalan kes terburuk (contohnya, pelanggaran konsistensi). Kebarangkalian penyerang berjaya memfork rantaian atau melakukan perbelanjaan berganda dinyatakan sebagai fungsi parameter utama: bilangan teka-teki setiap blok ($k$), kuasa relatif penyerang ($\beta$), kelewatan rangkaian ($\Delta$), dan kadar penyelesaian teka-teki rangkaian jujur ($\lambda$). Batasan ini mengambil bentuk yang mengingatkan batasan ekor dalam teori kebarangkalian, memanfaatkan struktur selari untuk mengetatkan jaminan dengan ketara berbanding rantaian berurutan.
Kertas kerja ini menawarkan panduan praktikal untuk memilih $k$ dan selang blok untuk meminimumkan kebarangkalian kegagalan bagi set keadaan rangkaian tertentu ($\Delta$, $\beta$). Ini mengubah reka bentuk protokol daripada latihan heuristik kepada masalah pengoptimuman dengan objektif yang boleh diukur.
Sasaran: Konsistensi selepas 1 blok (kepastian akhir pantas).
Parameter: $k=51$, $\beta=0.25$ (penyerang 25%), $\Delta=2s$.
Keputusan: Kebarangkalian Kegagalan $\leq 2.2 \times 10^{-4}$.
Tafsiran: Penyerang perlu mencuba ribuan blok untuk satu serangan konsistensi yang berjaya.
Pembinaan yang dicadangkan dinilai melalui simulasi yang direka untuk menguji ketahanan. Simulasi sengaja melanggar beberapa andaian reka bentuk ketat (contohnya, kesegerakan sempurna) untuk menilai tingkah laku protokol dalam keadaan rangkaian yang lebih realistik dan "kucar-kacir". Keputusan menunjukkan protokol kekal teguh walaupun dengan pelanggaran separa, mencadangkan batasan teori adalah konservatif dan reka bentuknya secara praktikalnya tahan lasak.
Perbandingan utama adalah terhadap konfigurasi "Bitcoin pantas" yang dioptimumkan (PoW berurutan dengan selang blok yang lebih pendek) yang bertujuan untuk kependaman yang serupa. Seperti yang dipetik daripada Li et al. (AFT '21), protokol berurutan sedemikian mempunyai kebarangkalian kegagalan ~9% dalam keadaan yang setanding ($\beta=0.25$, $\Delta=2s$). Protokol PoW selari mengurangkan ini lebih daripada dua peringkat magnitud kepada $2.2 \times 10^{-4}$, menunjukkan keupayaan unggulnya untuk menyediakan kepastian akhir yang pantas dan selamat.
Perspektif Penganalisis Industri
Keller dan Böhme bukan sekadar menyesuaikan Bitcoin; mereka secara asasnya menyusun semula asas kepercayaan rantaian blok PoW. Wawasan teras ialah kependaman keselamatan (masa untuk kepastian akhir) tidak semestinya terikat dengan kependaman pengeluaran blok. Dengan menyelaraskan "kerja" dalam satu blok, mereka memisahkan kedua-dua pemboleh ubah ini. Ini adalah inovasi yang lebih mendalam daripada sekadar meningkatkan saiz atau kekerapan blok, kerana ia menyerang punca utama kepastian akhir kebarangkalian. Ia seperti beralih daripada satu pemproses yang perlahan dan sangat boleh dipercayai kepada satu tatasusunan pemproses yang lebih pantas, sedikit kurang boleh dipercayai, dan menggunakan mekanisme undian (sub-protokol perjanjian $A_k$) untuk mencapai kebolehpercayaan dan kelajuan bersih yang lebih tinggi—konsep yang dilihat dalam sistem pengkomputeran toleran ralat seperti RAID atau kelompok Toleransi Ralat Byzantine (BFT), tetapi kini digunakan untuk teka-teki kriptografi.
Logik kertas kerja ini sempurna dari bawah ke atas dan pertahanan dahulu: 1) Kenal pasti Pautan Lemah: Keselamatan asimptotik tidak mencukupi untuk kewangan dunia sebenar (menyebut kerja batasan konkrit Li et al. sebagai pemangkin). 2) Asingkan Primitif: Fokus pada sub-protokol perjanjian, bukan keseluruhan rantaian. Ini bijak—ia mengurangkan kerumitan. 3) Kejuruteraan Semula Primitif: Gantikan perlumbaan teka-teki tunggal dengan perjanjian ambang pelbagai teka-teki. 4) Kuantifikasi Semuanya: Terbitkan batasan konkrit untuk primitif baharu ini. 5) Susun Keselamatan: Tunjukkan bahawa mengulangi primitif selamat menghasilkan rantaian yang selamat. Aliran ini mencerminkan kejuruteraan keselamatan yang ketat dalam bidang lain, seperti pendekatan keselamatan boleh dibuktikan dalam kriptografi moden (contohnya, kerja Shoup dan Bellare-Rogaway mengenai bukti keselamatan).
Kekuatan: Batasan konkrit adalah pengubah permainan untuk penerimaan perusahaan. Ketua Pegawai Kewangan kini boleh mengaudit keselamatan rantaian blok seperti model kewangan. Nombor prestasi menarik—kebarangkalian kegagalan $2.2 \times 10^{-4}$ vs. 9% bukan peningkatan beransur-ansur; ia adalah kelas risiko yang berbeza. Panduan parameter mengubah reka bentuk protokol daripada seni kepada sains.
Kelemahan & Kaveat: Andaian rangkaian segerak adalah tumit Achillesnya. Walaupun simulasi menunjukkan ketahanan terhadap ketaksegerakan ringan, batasan kes terburuk bergantung pada $\Delta$ yang diketahui. Dalam dunia nyata, kelewatan rangkaian berubah-ubah dan boleh dimanipulasi (contohnya, melalui penggodaman BGP). Protokol ini juga meningkatkan kerumitan komunikasi setiap blok dengan faktor $k$ (penyelesaian untuk disiarkan). Untuk $k=51$, ini bukan perkara remeh. Akhirnya, walaupun ia mengurangkan perbelanjaan berganda dengan cemerlang, analisis nampaknya tertumpu pada konsistensi; serangan lain seperti penapisan transaksi atau perlombongan mementingkan diri sendiri dalam model selari ini memerlukan penerokaan yang lebih mendalam.
Untuk arkitek rantaian blok: Kertas kerja ini menyediakan pelan untuk membina rantaian PoW jaminan tinggi, kepastian akhir pantas untuk kes penggunaan tertentu (contohnya, penyelesaian institusi, aset permainan) di mana keadaan rangkaian boleh dibatasi atau diperuntukkan lebih. Contoh $k=51$ adalah titik permulaan, bukan optimum sejagat.
Untuk pelabur & penganalisis: Lihat mana-mana rantaian "PoW berkelajuan tinggi" yang mendakwa kepastian akhir pantas dengan skeptisisme melainkan ia menawarkan batasan konkrit yang serupa. Kerja ini menetapkan penanda aras baharu untuk tuntutan keselamatan.
Untuk penyelidik: Peluang terbesar adalah untuk menghibridkan pendekatan ini. Bolehkah kita menggabungkan batasan konkrit PoW selari dengan sandaran kepada konsensus yang lebih perlahan, selamat tak segerak (seperti PoW terjalin Chainweb atau konsensus Snowman) untuk mengendalikan gangguan rangkaian? Pencarian untuk kepastian akhir yang teguh dan boleh diukur kini menjadi cabaran utama.
Analisis keselamatan bergantung pada pemodelan proses penyelesaian teka-teki nod jujur dan penyerang sebagai proses Poisson. Biarkan $\lambda$ menjadi kadar hash keseluruhan rangkaian jujur, dan $\beta\lambda$ menjadi kadar penyerang ($0 < \beta < 0.5$). Dalam protokol selari dengan $k$ teka-teki, kadar rangkaian jujur untuk menyelesaikan mana-mana teka-teki tertentu ialah $\lambda/k$.
Teras batasan melibatkan pengiraan kebarangkalian penyerang boleh menyelesaikan bilangan teka-teki yang mencukupi secara rahsia untuk mencipta rantaian pesaing yang mengatasi pertumbuhan rantaian jujur dalam tetingkap masa tertentu, yang merupakan fungsi kelewatan rangkaian $\Delta$. Struktur selari membolehkan penggunaan batasan jenis Chernoff untuk taburan binomial/Poisson untuk menghadkan kebarangkalian ini dengan ketat. Kebarangkalian kegagalan $\epsilon$ untuk konsistensi selepas satu blok dihadkan oleh ungkapan bentuk: $$\epsilon \leq f(k, \beta, \lambda\Delta)$$ di mana $f$ ialah fungsi yang berkurangan secara eksponen atau super-eksponen dengan $k$ untuk $\beta$ dan $\lambda\Delta$ tetap, menjelaskan peningkatan drastik berbanding PoW berurutan.
Skenario: Satu rantaian blok konsortium untuk penyelesaian antara bank memerlukan kepastian akhir transaksi dalam masa 15 minit dengan kebarangkalian kegagalan keselamatan kurang daripada $10^{-6}$ setiap penyelesaian. Rangkaian diperuntukkan dengan baik dengan kelewatan maksimum terukur $\Delta = 1.5$ saat. Peserta menganggarkan penyerang berpotensi boleh mengawal sehingga 30% kuasa pengiraan ($\beta=0.3$).
Aplikasi Kerangka:
Aplikasi Segera: Protokol ini sesuai untuk rantaian blok persekitaran terkawal di mana kesegerakan rangkaian adalah andaian yang munasabah. Ini termasuk rantaian persendirian/konsortium untuk penyelesaian kewangan, asal usul rantaian bekalan, dan penjejakan aset perusahaan. Keupayaannya untuk menyediakan kepastian akhir yang pantas dan boleh diukur adalah kelebihan utama berbanding PoW tradisional atau bahkan beberapa sistem Bukti Kepentingan yang tertakluk kepada serangan jarak jauh.
Hala Tuju Penyelidikan Masa Depan: